高爐爐缸整體澆注技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的砌磚襯，是真正意義上的“杯”結(jié)構(gòu)，起到良好的隔離和隔熱的作用，實(shí)踐證明，該技術(shù)更有助于高爐長(zhǎng)壽。而其所涉及的澆注料設(shè)計(jì)和新澆注襯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是整體澆注技術(shù)的關(guān)鍵。

　　高爐爐缸整體澆注優(yōu)勢(shì)明顯

　　現(xiàn)代高爐大修，陶瓷杯一般為砌磚或澆注體構(gòu)造。運(yùn)行幾年以后，為改善氣流分布或降低燃料比，鐵廠會(huì)短期停爐，做內(nèi)襯及風(fēng)口帶修復(fù)，不處理陶瓷杯而開爐復(fù)產(chǎn)。這種不放殘鐵短期修復(fù)的方式，在開爐以后，會(huì)遇到以下常見問(wèn)：

　　首先，爐缸降溫后，澆注體出現(xiàn)裂紋、或磚襯縫隙變大，不加處理，則開爐后會(huì)有滲鐵風(fēng)險(xiǎn)；

　　第二，爐底死鐵層凝固過(guò)程，與周圈耐材脫離，夾入雜物，開爐初期熱膨脹作用，傳遞至爐殼，造成爐殼開裂；

　　第三，碳磚與冷卻壁之間搗打?qū)印⒗鋮s壁與爐殼之間填充層，出現(xiàn)一定疏松，造成“間隙隔熱”和竄氣。

　　陶瓷杯構(gòu)造是以上所提問(wèn)題的核心。停爐檢修，處理爐缸渣料過(guò)程，若陶瓷杯表面覆蓋均勻的粘滯渣層，則避免了開爐滲鐵的風(fēng)險(xiǎn)，且烘爐過(guò)程，粘滯層的保護(hù)，能有效分布爐缸陶瓷杯應(yīng)力，提高開爐效率。磚陶瓷杯容易出現(xiàn)滲鐵而逐步瓦解的情況，且導(dǎo)熱系數(shù)較低，無(wú)法形成有效的粘滯層保護(hù)陶瓷杯；一般情況下，砌筑陶瓷杯，開爐前會(huì)在工作層表面砌筑黏土磚作為保護(hù)，而這種檢修方式在不放殘鐵的高爐上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

　　爐缸整體澆注技術(shù)具有下列優(yōu)勢(shì)：

　　爐缸整體澆注技術(shù)，如圖1所示的工藝流程，其主要特點(diǎn)有：修復(fù)方式簡(jiǎn)單快捷；澆注體整體性強(qiáng)、助于爐缸長(zhǎng)壽。近幾年，最初整體澆注高爐的良好使用效果，改善了人們對(duì)該技術(shù)的認(rèn)知；而且，其滿足了當(dāng)代高爐快速檢修節(jié)奏要求。使用越來(lái)越普遍、發(fā)展前景廣闊。具體說(shuō)，爐缸整體澆注優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

　　圖1 陶瓷杯整體澆注示意

　　一是陶瓷杯澆注材料：高致密、高強(qiáng)度、優(yōu)良的抗鐵水熔蝕、抗渣侵蝕及抗堿侵蝕性能，同時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)適中，配合碳磚構(gòu)成穩(wěn)定的傳熱模型，更有利于爐缸渣鐵粘滯層形成；

　　二是對(duì)新砌碳磚的高爐，陶瓷杯整體澆注設(shè)計(jì)合理，對(duì)鐵口區(qū)和象腳區(qū)重點(diǎn)考慮，使得澆注體無(wú)薄弱點(diǎn)；

　　三是對(duì)中修高爐，能最大程度的保留殘余合格碳磚、風(fēng)口組合磚、鐵口組合磚，大大降低了爐缸清理難度，降低綜合成本、人工成本；

　　四是陶瓷杯整體澆注設(shè)計(jì)：符合薄壁爐缸理論，將1150℃凝鐵等溫線設(shè)置于陶瓷杯中，有效保護(hù)碳磚、隔離鐵水，并能有效保存熱量，節(jié)能降耗。

　　爐缸澆注材料特點(diǎn)鮮明

　　首先，爐缸澆注材料具有下列抗侵蝕性能：

　　爐缸澆注料，系硅溶膠結(jié)合材料，由剛玉與碳化硅按合適的比例組成，是傳統(tǒng)剛玉莫來(lái)石質(zhì)材料的改革。為提高材料抗侵蝕能力，前期做了大量試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整骨料和微粉比例、結(jié)合劑匹配度等，形成目前效果較理想的材料體系。采用兩種方式分別驗(yàn)證材料抗渣侵蝕和抗鐵侵蝕性能，分別如下：

　　一是材料抗渣侵蝕性能。圖2為澆注料抗渣鐵侵蝕試驗(yàn)結(jié)果，渣鐵混合物于1500℃條件下在澆注料所制成的坩堝里面浸泡7天后，分析橫縱剖面，觀察試塊被浸潤(rùn)情況。可以很清楚看到，澆注料與渣鐵界面清晰分離，且無(wú)任何物理和化學(xué)反應(yīng)情況。該材料用于風(fēng)口帶整體澆注，高爐運(yùn)行過(guò)程，能在澆注體表面形成穩(wěn)定的渣鐵粘滯層作為保護(hù)，因此材料具備既能抗渣鐵侵蝕又能利用渣鐵形成保護(hù)的特點(diǎn)。

　　圖2 渣鐵浸泡與材料內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

　　二是材料抗鐵侵蝕性能。如圖3所示，按照國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，將兩種爐缸澆注料試塊（RLG-SC屬替代碳磚用的高導(dǎo)熱澆注料、RLG-SA屬陶瓷杯澆注料）做成標(biāo)準(zhǔn)試塊且在鐵水中可旋轉(zhuǎn)，形成對(duì)流。在1500℃條件下旋轉(zhuǎn)3個(gè)小時(shí)，材料冷卻后觀察表面浸潤(rùn)情況和增重情況。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，相較于定形磚，爐缸澆注料顯示出極好的抗鐵侵蝕效果。

　　圖3 兩種澆注材料浸泡于鐵水內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

　　表1 材料浸潤(rùn)后增重情況

　　從上面兩個(gè)試驗(yàn)可以看出，剛玉碳化硅體系材料，在匹配合理的情況下，在高溫狀態(tài)下不與渣鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此單從化學(xué)侵蝕角度來(lái)看，澆注體不會(huì)受到損壞。硅溶膠結(jié)合材料，高溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)低水泥澆注料，材料燒結(jié)后形成高強(qiáng)的硅-氧化學(xué)鍵，保障了其高溫強(qiáng)度，且液相極少。

　　爐缸澆注結(jié)構(gòu):從“厚”到“薄”，認(rèn)知轉(zhuǎn)變

　　爐缸整體澆注設(shè)計(jì)，摒棄掉傳統(tǒng)的砌筑陶瓷杯磚縫，形成真正的“杯”結(jié)構(gòu)，從而使得鐵水無(wú)縫可入。更重要的是，從爐缸傳熱模型來(lái)看，更加優(yōu)化和合理。人們對(duì)爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)知，是從“厚”到“薄”的轉(zhuǎn)變過(guò)程。過(guò)去爐缸碳磚和陶瓷杯磚砌筑很厚，傳熱受阻，造成陶瓷杯使用壽命很低。近些年，薄壁爐缸理論徹底改變了這些傳統(tǒng)思維，人們才意識(shí)到傳熱模型的重要性，以及其理論特點(diǎn)。

　　如何認(rèn)識(shí)凝鐵等溫線？

　　凝鐵等溫線，即1150℃鐵水固液兩相的界線。界線以內(nèi)的陶瓷杯“泡”在鐵水環(huán)境內(nèi)，更容易受到侵蝕；而鐵水外側(cè)的耐材，受到保護(hù)。如果1150℃等溫線持續(xù)外移，就說(shuō)明耐材被持續(xù)侵蝕。圖4是對(duì)爐缸整體澆注所做的數(shù)值模擬，陶瓷杯側(cè)壁澆注僅280mm、爐底陶瓷墊澆注厚度600mm，而陶瓷杯材料導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到6W/K·m，比剛玉莫來(lái)石磚高3倍。這種有效的傳熱，可在澆注體表面形成穩(wěn)定的粘滯保護(hù)層，因此可將凝鐵等溫線內(nèi)推至澆注體表面，從而長(zhǎng)久的保護(hù)陶瓷杯不受鐵水侵蝕，這也是薄壁爐缸的理論依據(jù)。

　　圖4爐缸傳熱模型和凝鐵等溫線分布

　　利舊碳磚結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？為何要利舊碳磚？

　　對(duì)一個(gè)中修的高爐來(lái)說(shuō)，一般情況下高爐運(yùn)行不超過(guò)10年，陶瓷杯雖侵蝕殆盡，但碳磚仍保存一部分。而這部分碳磚，實(shí)際已經(jīng)自我形成穩(wěn)定的傳熱模型，因此也會(huì)呈現(xiàn)側(cè)壁殘存較厚、象腳區(qū)殘存薄、爐底呈“鍋底狀”等特點(diǎn)。因此，爐缸澆注技術(shù)，在前期設(shè)計(jì)方案過(guò)程，將這種情況充分考慮，停爐清理過(guò)程，將這些“有效”的碳磚，盡可能完整保留，然后再整體澆注陶瓷杯，即“利舊碳磚”。圖5是爐缸澆注前環(huán)碳保護(hù)性清理效果。一般情況下，運(yùn)行不超過(guò)5年的高爐，碳磚利舊率可達(dá)到70%以上；而運(yùn)行10年左右的高爐，碳磚利舊率可達(dá)50%以上。

　　圖5 環(huán)碳保護(hù)性清理效果

　　利舊碳磚需解決以下問(wèn)題

　　“利舊”碳磚整體澆注高爐爐缸，替代了傳統(tǒng)的重砌筑模式，通過(guò)大量的澆注實(shí)踐，在高爐運(yùn)行跟蹤過(guò)程，需要解決的問(wèn)題，通常有以下幾點(diǎn)：

　　一是舊碳磚與冷卻壁之間的搗打?qū)铀蓜?dòng)，出現(xiàn)間隙隔熱；

　　二是短時(shí)間的烘烤（一般5天左右）即開爐運(yùn)行，鐵口部位因“潮氣”噴濺；

　　三是冷卻壁壁后壓漿封堵不利，出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象。

　　以上所遇到的問(wèn)題，可在高爐運(yùn)行過(guò)程，通過(guò)專業(yè)且精確的“診斷”和新技術(shù)應(yīng)用解決，這也是不定型耐材技術(shù)的魅力所在。其中搗打?qū)铀蓜?dòng)，可通過(guò)冷卻壁熱面壓漿填充，這是對(duì)高爐中修運(yùn)行后最先提出的專業(yè)化建議；鐵口噴濺源于烘烤過(guò)程控制不利，通過(guò)烘爐導(dǎo)管的合理安裝、烘烤過(guò)程鐵口通道的合理處置以及壓漿孔的合理分布解決；而爐殼與冷卻壁之間竄氣，則可使用新型的液體壓漿料封堵。

　　要關(guān)注爐缸澆注工藝流程和后期跟蹤

　　爐缸澆注工藝流程如下：

　　以上介紹爐缸澆注材料特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其具備很深的理論支撐。從施工現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，將好的材料和設(shè)計(jì)理念還原至現(xiàn)場(chǎng)，也是至關(guān)重要的一環(huán)。爐缸澆注過(guò)程，即是清理→澆注→支模→澆注→拆模的過(guò)程，如圖6-7所示。

　　圖6 爐缸澆注與支模過(guò)程

　　考慮到象腳區(qū)保護(hù)，會(huì)根據(jù)各高爐象腳區(qū)侵蝕情況，采用不同的處理方式。爐缸澆注料體密較大，液態(tài)材料靜壓力較大，因此一般采用分段澆注的方式澆注陶瓷杯壁，由爐底分段澆注至風(fēng)口帶。爐缸澆注過(guò)程，另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是澆注體膨脹的匹配和膨脹空間的預(yù)設(shè)。陶瓷墊澆注過(guò)程，周圈設(shè)置膨脹縫；風(fēng)口帶澆注過(guò)程，中套預(yù)留膨脹空間和風(fēng)套檢修空間；材料本身高溫下形成的塑形象，可有效吸收澆注體膨脹。

　　圖7拆模過(guò)程和整體澆注效果

　　爐缸澆注后期跟蹤。

　　首先，構(gòu)建侵蝕模型與應(yīng)用跟蹤。

　　根據(jù)高爐前期清理效果，繪制碳磚保存情況，形成侵蝕模型，便于后期運(yùn)行跟蹤。現(xiàn)代高爐，采用爐缸澆注檢修以后，會(huì)在爐底、爐缸側(cè)壁、鐵口等區(qū)域環(huán)形分布熱電偶，通過(guò)后期數(shù)據(jù)采集并分析，來(lái)指導(dǎo)高爐生產(chǎn)，因此能保障高爐更安全可靠。這要求爐缸澆注過(guò)程，設(shè)計(jì)出更合理的侵蝕模型，包括二維數(shù)據(jù)顯示和三維動(dòng)態(tài)演示，如圖8所示。高爐一旦出現(xiàn)局部溫度高或者冷卻壁熱流量急劇變化的情況，可快速做出應(yīng)對(duì)。

　　圖8 中修高爐侵蝕模型

　　實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)

　　國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司1260m3高爐，2018年停爐大修，采用碳磚保護(hù)性拆除，爐缸整體澆注（未澆注爐底陶瓷墊）的快速修復(fù)方式，方案如圖8所示，爐缸采用薄壁內(nèi)襯。由于側(cè)壁碳磚侵蝕嚴(yán)重，相較于前期砌筑設(shè)計(jì)尺寸，爐缸直徑擴(kuò)大1000mm，爐缸容積擴(kuò)大55m3，側(cè)壁澆筑厚度320mm，象腳區(qū)斜段加厚，爐底陶瓷墊保存完好，未澆注。運(yùn)行至2021年4月產(chǎn)能置換停爐大修，爐缸清理后，材料侵蝕情況對(duì)比下右圖所示。澆注體殘存情況為：

　　一是風(fēng)口帶澆注料基本上未受到嚴(yán)重的侵蝕，剩余澆注料較厚，在500mm左右，且強(qiáng)度較高，風(fēng)口帶上沿磚襯殘存率20%，下沿殘存率80%；

　　二是高爐在運(yùn)行兩年半的過(guò)程中，爐缸澆注料除泥包和1#鐵口下方高溫點(diǎn)侵蝕外，其他區(qū)域基本上侵蝕深度在40mm左右，側(cè)壁殘存率90%，且有部分區(qū)域象腳區(qū)斜臺(tái)還存在，殘存率80%，如圖9所示；

　　三是爐缸料與高導(dǎo)熱料接觸面緊密，無(wú)縫隙，在高爐運(yùn)行過(guò)程中，兩者的接觸面相互滲透，形成一個(gè)整體。

　　圖9爐缸澆注方案與侵蝕殘磚對(duì)比

　　本文基于對(duì)爐缸澆注技術(shù)的大量試驗(yàn)和實(shí)踐驗(yàn)證，盡可能用量化的角度闡述該技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用效果，此處總結(jié)以下幾個(gè)結(jié)論：

　　首先，相較于傳統(tǒng)砌筑陶瓷杯的局限性，爐缸整體澆注技術(shù)，滿足了高爐快速修復(fù)、長(zhǎng)壽應(yīng)用的要求；

　　其次，爐缸澆注材料更進(jìn)一步改進(jìn)，具有更好的抗侵蝕能力、熱傳導(dǎo)能力，可形成更穩(wěn)定的傳熱模型，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，更有助于高爐長(zhǎng)壽；

　　第三，實(shí)踐證明，高爐爐缸整體澆注技術(shù)配合后期科學(xué)的跟蹤措施，更能確保高爐安全、合理、可控、順行。（孫賽陽(yáng)）